路灯自动开关的模拟装置(年赛题)

1．题意

有一集镇的街道路灯，以高压汞灯与钠灯隔盏交又安排在街道两旁，为了节约用电，当行人稀少的后半夜，将钠灯关闭，仅保留汞灯。这就是说，傍晚全部灯亮，约6h后隔盏关灯，第二天清早路灯全部关闭，傍晚路灯又自动开启，后半夜隔盏关灯，清早关闭……如此循环往复。

2．模拟制作要求

令红色发光二极管模拟高压钠灯，绿色发光二极管模拟高压汞灯，1s模拟1h，学生设计电路，完成制作，使其作品能演示上述路灯控制开关的模拟操作。

3．参考电路

实现上述题意的模拟制作随所设计的电路及元器件的不同而异，由于路灯是用发光管模拟，则应按发光管的电性能供直流电。为了能在短时间内看到作品演示功能的全过程，特用1s的时间代替6h，图10－6就是实现模拟功能的电子制作电路参考图，图中元件参数是参考值，有的元件如R1、R2、R5等未标明数值，要求读者要根据计算并经电路调试决定。主要芯片管脚图如图10－7、图10－8所示。

图10－6 路灯开关模拟电路

图10－7 NE555管脚图

图10－8 CD4011管脚图

4．元器件功能

市电交流220V经保险丝(F)给电源变压器(B)供电，B为降压变压器，其次级的交流电压约为15V，再经VD1～VD4组成的桥式整流电路整流、电容器C1滤波，7812稳压给电路提供12V直流电压。如图10－9所示。R1、LED组成12V输出指示器，RG为光敏电阻，调节RP1的阻值能改变RG的取样电压。四运放LM324分别接成四个反相(放大)器，9013推动电磁继电器K，K的常开触点接绿色发光二极管(模拟高压汞灯)。IC555电路组成定时电路，定时时间长短由RP2、C4定时元件决定，C3为触发信号的耦合电容器，电磁继电器K2的常开触点接红色发光二极管(模拟高压钠灯)。VD9是稳压管，稳压值约3V，R3为VD9的降压限流电阻。C6、C7分别为电磁继电器K2、K1线圈的保护电容器。

图10－9 稳压电源部分

5．电路的工作原理

(1)白天

RG在白天时(演示时可用灯光替代)，阻值很小，VRG电位很低，即CD4011的①、②脚为低电位，③脚为高电位，④脚为低电位，⑩脚为高电位，于是:

①CD4011的⑩脚为低电平，三极管9013截止，继电器K1的线圈无电流流过，其动接点不动作，常开点K1－2也不得电，绿色发光管不亮。

②CD4011的⑩脚突变为高电位的同时，这意味着一正脉冲触发IC555的②脚，则IC555的③脚输出低电位，继电器K2的线圈无电流流过，红色发光管不亮，这就模拟出白天路灯不亮的情景。

(2)晚上

随着傍晚天色渐渐变暗，RG失光(也可用电工黑胶布遮住RG表面进行演示)，阻值变大，VRG电位升高，即CD4011的①与②脚变为高电位，③脚变为低电位，④脚变为高电位，⑩脚变为低电位，于是:

①CD4011的⑩脚为高电平，三极管9013导通，继电器K1的线圈有电流流过，动接点动作，脱离静接点K1－1，接触静接点K1－2，绿色发光二极管得电发亮(这模拟着高压汞灯被点亮)。

②CD4011的⑩脚变为低电位的同时，意味着一负脉冲触发IC555的②脚，则IC555的③脚输出高电平，则继电器K2的线圈有电流通过，K2的动接点动作，脱离静接点K2－1，接触静接点K2－2，红色发光二极管得电、发亮(这意味着高压钠灯被点亮)。

(3)后半夜

当IC555的②脚获得负脉冲，红色发光二极管开始发亮的同时，IC555的⑥、⑦脚上连接的充电电容器C4亦开始充电，约6s(模拟6h)后，VC4的充电电压≥VDD(即8V)，则IC555的③脚变为低电平，K2线圈电流切断，恐的动接点便脱离K2－2，回到K2－1，使红色发光二极管失电不亮(这就模拟着后半夜隔盏关灯)。这里利用了NE555的单稳延时电路。具体电路原理参照NE555芯片介绍。

(4)二天清晨

此时回到了白天(演示时将黑胶布揭去，让RG见光)，光敏电阻RG见光阻值变小，使VRG变为低电位，三极管9013截止，绿色发光二极管失电不亮，与此同时IC555的②脚获得正脉冲，使IC555的③脚输出低电平，K2的线圈仍无电流通过，确保了红色发光二极管失电不亮，即是白天路灯全部关闭。

6．电路中用到的单元电路

(1)7805线性稳压电源。

(2)NE555的单稳延时电路。

(3)光敏电阻的应用。

(4)继电器的驱动。